張 衡

文:小罐子老師

「如此全面發展之人物為中國之所罕見。」---郭沫若寫於張衡的墓碑

 

Cdmove.gif (2239 bytes) 地牛翻身,神龍吐珠

西元138年,距離現在1862年前,那時候正是中國的東漢時期。

朝廷裡的大臣們都在議論紛紛:原來是張衡發明的「地動儀」竟然「動」了!地動儀上頭的龍頭口中的銅珠,突然「噹瑯」的一聲掉進蟾蜍的嘴巴裡,根據銅珠掉落的方位,預測洛陽西方正在發生地震。大家都半信半疑的。幾天後傳來隴西(現今的甘肅西南)發生了地震的消息。

隴西正好就在洛陽的西方。從此以後,東漢史官開始記錄國內地震的方位。直到科技高度發展的今日,地動儀仍然被視為是一項偉大的發明,更是人類歷史上的創舉。而他的發明者張衡,更被全世界公認為地震學的「鼻祖」。

但是,如果你認為張衡的貢獻僅止於此,那可是大錯特錯嘍!他同時也精通天文、地理、機械、算數、文學、繪畫、哲學,甚至在他當官時也有不錯的政績,厲害吧!是不是對這個人有些興趣呢?走!讓小罐子老師帶大家回到東漢,認識這位偉大的人物。

圖: 候風地動儀的內部構造圖示 

 右圖: 候風地動儀的外觀

 

Cdmove.gif (2239 bytes) 上知天文,下通地理

張衡,別號平子,南陽西鄂人(就是現今河南省南陽縣人),他出生在東漢章帝建初三年,西元七八年。 他的曾祖父及祖父都曾經當官而且十分富有,到了他的父親卻很貧窮。

張衡自幼聰穎好學,多才多藝。十五、六歲時,就外出遊學讀萬卷書、行萬里路,同時也結交了許多學問好、有抱負的學者,像是:馬融、竇章、王符、崔瑗等人,他們對於張衡的為人、治學以及多元化的才能,都有相當大的影響。二十多歲的張衡年紀雖輕,但是學問過人,他婉拒了一些當官的機會,來到南陽郡,擔任幕僚的工作,負責起草文書。這段期間他完成了:《同聲歌》、《定情賦》、《兩京賦》、《南都賦》,這些創作呈現出二千年前的時代精神和風貌,所用的辭藻豐富華麗,將漢代的辭賦推向另一個高峰。晚期,張衡還有其他創作,像是:《歸田賦》、《四愁詩》和一些抒情小賦等,都具有極高的價值。

南陽郡郡守因為政績卓越,被皇帝升遷,張衡並不打算和長官一起到洛陽,反而決定回鄉閉門讀書。回鄉這段期間,他博覽群書,並深入研究易經、太玄經、墨子等古代有關於哲學、科學的書籍,從而融會貫通了:幾何學、力學、機械、地理、測量、繪畫等應用科學的知識,這樣多元的學習發展,使得張衡成為東漢當代的「博學」之士。

Cdmove.gif (2239 bytes) 劃時代的天文貢獻

在累積深厚的學問和才能之後,張衡不再婉拒別人的推薦,西元一一一年,34歲的張衡進京擔任「尚書郎中」的官職,四年後被任命為「太史令」。太史令是主管觀察日月星辰、風雲雪雨、制訂曆法等事,相當於現在的中央氣象局或天文台的長官。張衡在太史令任內,有系統的觀測天體、從事理論研究,並有《靈憲》、《渾天儀注》等著作,全面闡述宇宙演化、天地結構、日月星辰的本質和運動,將中國古代天文學水準提升到新的階段。

張衡在天文學上的貢獻,有四個方面︰

一、在天體觀測方面的成就

張衡總結出天上長明的星官共有124(中國古代的「星官」類似於現代天文學的「星座」,一個星官可以有幾顆到幾十顆),能叫出名字的星官有320個。現在人們能看到6等以上的亮星,有25003000顆之間。跟張衡的觀測結果大致相同。

另外,張衡還指出「微星」(就是不太亮的星星)11520顆。根據現代天文學家的校驗,肉眼能看到的星在67等星之間的,這些星星數可以達到14000多顆。張衡的觀測與現在實際的數目相去不遠。

張衡還測出太陽和月亮的角直徑是周天的1/736,即29’24”,與現代所測得的太陽與月亮的平均角直徑31’59”31’5”2相差不多。1800年前,在天文觀測儀器很簡陋的情況下,能測出日、月的角直徑,是非常不容易的。

二、主張「渾天說」,製作「渾天儀」

中國古代對於天地的形狀有二種不同的學說,一種是蓋天說,一種是渾天說。蓋天說認為,天是圓的,像張開的傘;地是方的,像棋盤。什麼是渾天說呢?張衡在他的「渾天儀圖注」堳出,天好像一個雞蛋殼,地好比雞蛋黃,天大地小,天地各乘氣而立,載水而浮。這個看法比「蓋天說」進步,更真實地反映了宇宙的本來面目。渾天說將大地看作是一個球,就是我們常說的地球,是很正確的。張衡早先說是浮在水上,後來認為是浮在「氣」上。現在大家都知道,各天體不是掛在哪堙A而是依靠萬有引力拉著,各自在不停地運動著。渾天說在我國流行了1000多年。明末從西方人傳入哥白尼的「日心說」後,國人才開始接受先進的宇宙觀。張衡晚年還提出宇宙是無限的看法,與現代的觀點一致。

「渾天儀」就是根據這種「渾天說」的想法來製作出來的儀器,它的材料是銅,裡面有幾層圓圈可以轉動,這幾層圓圈上面刻著日、月、和各種星辰。這個大銅球可以運用水的力量使它慢慢轉動,轉動一周的速度,跟地球自轉一周的速度一樣。人們從渾天儀上可以看出日月星辰是怎樣運動的。這在當時是天文學上很驚人的發明。

三、創立進步的行星運動理論

他提出,日月五星(指金星、木星、水星、火星與土星)距離地球近時,就運行得快些,距離地球遠時,就運行得慢些。這是他長期觀測中發現的。張衡將我們地球排在宇宙中心,這看法是錯誤的。德國天文學家開普勒發現了行星運動速度是不均勻的,行星接近太陽時,運動速度較快,遠離太陽時,運動速度較慢。不同的行星亦有此規律。

四、對日食、月食的成因及月向的變化提出了科學的解釋

在缺乏科學知識的古代,人們一看見日、月食就心驚膽顫。張衡在《靈憲》婸〝日、月食的成因及月向變化原理,這些都完全符合現今科學的根據。

Cdmove.gif (2239 bytes) 機械與數學上的成就

張衡在機械製作上也有不平凡的成就,他先後製造過:指南車、記里鼓車、自飛木雕、地動儀、候風儀等機械。製作機械必須有良好的數學基礎,因此也著有《算罔論》,不過現在已經失傳了!他還推算出圓周率是在3.143.16之間呢!

在張衡那個時代,常常發生地震。光是從西元96125年這30年間,就有發生過23次大地震,而且有好幾次大地震都發生在洛陽附近。身為太史令的張衡經過很多年的實驗,在西元一三二年發明了世界上第一架測定地震時間和方向的儀器,叫做「地動儀」。

地動儀是用銅打造成的,直徑8尺,樣子像個酒罈子。在這個酒罈子形狀的儀器外壁上,倒掛著八條龍。每條龍的嘴裡都含有一顆銅球。每條龍下面,蹲著一隻銅蟾蜍。蟾蜍仰著頭,張大嘴巴。八條龍的龍頭分別朝著東、西、南、北、東南、西南、西北、東北。哪個方向發生地震,哪個方向的龍嘴裡的銅珠就震落下來,正好落在正對著蟾蜍嘴裡,發出「噹瑯」一聲。就在隴西發生地震的那天,朝西面的龍嘴裡的銅球掉了下來,於是,張衡就斷定是京都洛陽西面發生了地震。

地動儀為什麼可以測量出地震和發生地震的地方的方向呢?原來它是根據慣性原理設計的。發生地震以後,地震波傳來,地動儀裡面的一個像是鐘擺一樣的「都柱」就受到震動,然後朝向地震波傳來的那個方向擺動,通過槓桿使得代表那個方向的龍嘴張開,銅球就掉下來啦。

一千八百多年前,張衡能夠製造出這樣精巧、靈敏、準確、看起來又很好看的儀器,實在令人佩服極了!

 

Cdmove.gif (2239 bytes) 月背上的張衡

就在張衡用地動儀測出隴西大地震的第2年,他不幸因為生病過世,享年62歲。張衡多才多藝,曾被列為東漢六大名畫家之一。他在天文學上的成就,不僅在我國,在世界上也受到極大的推崇。西元1970年,國際上用張衡的名字來命名月球背面的一座環形山;西元1977年,太陽系中,一顆編號為1802的小行星,也用他的名字來命名。

同學們去過台北市立天文館吧!下回去可得仔細看看,一樓展覽廳入口的雕像,正是這位偉大的人物喔。

(本文圖片來源: 國立自然科學博物館)

 

計數器